同位素地质学潘家永,2013年2月,讲课内容绪 论：同位素地质学发展历史第一部分：稳定同位素地球化学第二部分：同位素地质年代学,教材与主要参考书,教材：同位素地质学教程，沈渭洲编，原子能出版社，1997 主要参考书： 地球化学陈骏等编，科学出版社，2005稳定同位素地球化学郑永飞，科学出版社. 2002Stable Isotope Geochemistry. Hoefs J. 2004,考核方法,平时成绩：30% 考试：70%,0 绪论,定义和研究内容 发展简史 国内研究概况,定义和研究内容,地球化学是研究自然界，主要是地球及其各组成部分的化学演化及其机理的科学。三个主干分枝：元素地球化学 同位素地球化学 实验地球化学 研究内容 ：稳定同位素地球化学；同位素地质年代学,发展简史,奠基阶段：20世纪初30年代 理论和学科发展阶段：3070年代 深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来,奠基阶段：20世纪初30年代,理论和学科发展阶段：3070年代,稳定同位素的分馏机制与应用研究，在这方面做出突出贡献的科学家有: Urey(1947)、 Taylor (1967,1968)、Hoefs（1970）、Ohmoto(1972)同位素地质年代学定年体系的研究与应用。在这方面做出突出贡献的科学家有: Holmes (1932)、Doe & Zartman (1979)、Faure(1972),深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来,新的仪器测试技术使得能高精度地测试越来越多的同位素向各个相关领域快速扩散，应用越来越广,深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来,空间 上天：宇宙化学、行星对比、地球及太 阳系的成引演化；入地：地球深部研究，包括地幔组成和岩石圈 演化；下海：海洋地球化学及其元素与大气圈、岩石 圈和生物圈之间的交换、循环和通量。时间 与地球形成和早期演化以及生命起源有关的地球化学；与评价和预测现代环境演化有关的环 境地球化学和第四纪地球化学研究。,国内研究概况,著名学者 研究机构,著名学者,李璞（1911-1968）： 1950年获剑桥大学博士学位，1958-1962年建立我国第一个同位素地球化学实验室，并完成第一批同位素年龄数据。,候德封（1900-1980）： 提出地层地球化学、化学地史、化学地理的概念，创立了 “核子地质学 ”,著名学者,涂光炽（1920-2007） 1949年获得明尼苏达大学博士学位 在中国最早讲授地球化学课程 曾任中国科学院地质研究所和地球化学研究所所长,司幼东（1920-1968） 中国实验地球化学的奠基人，指导和建立了中国第一个成矿实验室，进行了Sn、Nb、Ta等配合物的成矿实验，提出酸碱分离与成矿作用的关系,著名学者,张本仁（中国科学院院士）： 区域地球化学淤崇文（中国科学院院士）：地球化学动力学付家漠（中国科学院院士）：有机地球化学欧阳自远（中国科学院院士）：天体化学,年轻学者,郑永飞（中国科学院院士） 氧同位素地球化学蒋少涌B、Si同位素地球化学李献华同位素地质年代学朱详坤过渡元素同位素,研究机构,中国科学院地球化学研究所 中国科学院广州地球化学研究所 中国科学院地质与地球物理研究所 中国地质科学院同位素重点实验室 南京大学 北京大学 东华理工大学,第一部分 稳定同位素地球化学,1. 几个基本概念 2. 稳定同位素的分析方法 3. 稳定同位素的应用,1. 几个基本概念,1.1 同位素的定义 1.2 同位素的分馏效应 1.3 同位素值的表示方法 1.4 同位素标准物质,同位素定义：核内质子数相同而中子数不同的同一类原子。 同位素的分类：(1) 放射性同位素：原子核不稳定，能自发进行放射性衰变或核裂变，而转变为其它一类核素的同位素称为放射性同位素。 (2) 稳定同位素：原子核稳定，其本身不会自发进行放射性衰变或核裂变的同位素。,1.1 同位素的定义,1.2 同位素的分馏效应,同位素分馏定义：同位素以不同比例分配于不同物质或物相的现象。分馏系数:x-y=RX/RY热力学平衡分馏：不同物质或物相间的同位素比值达到恒定不变时，即达到了同位素平衡状态，这种状态的分馏称为同位素平衡分馏。,动力学非平衡分馏：某些特定的物理、化学、生物化学反应会产生偏离平衡分馏的现象。,非质量相关分馏：不服从质量相关分馏的同位素分布称为非质量相关分馏。,1.3 同位素值的表示方法,同位素比值：如13C/12C；18O/16O等。值：样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差 （）= （R样/R标）- 1） 1000 R样：样品的同位素比值 R标：标准样品的同位素比值 0 表明样品较标准样品含重同位素 0 表明样品较标准样品含轻同位素 = 0 表明样品与标准样品同位素比值一致,1.4 同位素标准物质,标准物质特征：稳定、量大、易得、有代表性。标准级别：国际标准；国家标准；实验室标准。常用标准：SMOW；PDB；CDTSMOW：Standard Mean Ocean WaterPDB：Pee Dee BeleminiteCDT：Canyon Diablo Troilite,2. 稳定同位素分析测试方法,2.1 样品预处理方法 2.2 同位素质谱测定方法,2. 1 样品预处理方法,氢：U（Zn）还原法氧：H2O：CO2-H2O平衡法碳酸盐：磷酸法硅酸盐：BrF5法,2. 1 样品预处理方法,碳：碳酸盐：磷酸法有机碳：氧化法（燃烧法） 硫：硫化物：氧化法（燃烧法）硫酸盐：先转换为硫化物,2. 2 质谱测试方法-原理,离子源,信号接收器,扇型磁场,2. 2 质谱测试方法-连续流进样系统,3. 稳定同位素的应用,3.1 同位素地质温度计 3.2 氢、氧同位素 3.3 碳同位素 3.4 硫同位素 3.5 氮同位素 3.6 硅同位素,3.1 同位素地质温度计,基本原理氧同位素地质温度计外部测温法内部测温法硫同位素碳同位素氢同位素,3.2 氢、氧同位素应用,基本特征示踪流体来源成矿流体来源现代水的来源古环境与古气候商品的示踪,示踪流体来源-成矿流体,大气降水线,示踪流体来源-成矿流体,水岩反应公式： Wi水+Ri岩石= Wf水+Rf岩石,Df水=f(Di岩石,Di水,W/R,T)18Of水= f(Oi岩石,Oi水,W/R,T),示踪流体来源-成矿流体,同位素找矿-卡林型金矿,同位素找矿- VMS型矿床,同位素找矿- 石英脉型Au矿床,1-蚀变带；2金-锑矿体；3-氧同位素组成,示踪流体来源-大气降水,纬度效应,OCEAN,CONTINENT,dD = 0 ,-94 Vapor,-110 Vapor,-126 Vapor,-14 Rain,-30 Rain,纬度效应,海拔高度效应：高度上升，则大气降水的D和18O值减少。一般对于D值，每升高100m，降低1.2 4；对于18O 值，每升高100m，降低0.15 0.5。 离岸远近：越向内陆，大气降水的D和18O值越降低。 季节效应：在冬季或干季，大气降水的D和18O值减少；在夏季或雨季，D和18O值增加。,大气降水线方程,D = 818O + 10,示踪流体来源-海水,影响海水H, O同位素组成的因素： （1）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的D 和18O值一般大于零。 （2）两极的深海水流。 （3）海洋总体D和18O值受冰川作用影响。 （4）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。 （5）近岸大陆河水的影响。 （6）降雨量的大小，对表层海水有影响。,3.2 氢、氧同位素应用,示踪现代水的来源地表水地下水植物根系水,3.2 氢、氧同位素应用,古环境与古气候古海水温度古气候变化,古海水温度,通过同位素分馏程度（）与温度（T）的公式，可以推导出海水中沉积的碳酸盐的18O 碳酸盐与海水温度（T）之间关系 的公式：ln a 碳酸盐-海水 = （b/T + c） 103 这样，通过测定海洋碳酸盐的18O值，可以确定海洋碳酸盐矿物形成时的海水温度。,古海水温度,-代表生物沉积文石 代表生物沉积碳酸盐 代表无 机沉积方解石,古海水温度,-代表生物沉积文石 代表生物沉积碳酸盐 代表无 机沉积方解石,目前使用比较多的是由Epstein et al.(1953)得出，后经Craig(1965) 修改的经验公式，该公式适用于软体动物和沉积碳酸盐： t = 16.9 - 4.2(C - W) + 0.13(C W)2 其中， C为碳酸盐与100%磷酸时反应生成的CO2的18O值(PDB)，W为25时与海水平衡的CO2的18O值(PDB)。,古气候变化,T(）10.513+0.153D,树轮氢同位素,Year,实测温度,模拟温度,石笋的碳氧同位素研究,最可信的关于更新世末和全新世大气CO2含量和13 C值信息可以通过对高纬度冰芯捕获的气泡直接测定得到。 苏联南极东方站钻孔冰芯长2200米，跨时从距今16万年前到现在。取冰芯中的气泡，测量得到过去大气CO2的含量有大的变化。在过去15万年间，大气CO2含量波动大约在200 ppm和300 ppm之间。,冰芯碳氧同位素研究,3.2 氢、氧同位素应用,商品的示踪酒饮料咖啡豆毒品,不同地区蜂蜜的H、O同位素组成,D and 13C of Coffee Beans,dD and d15N of Coffee Beans,2H of Ethanol,3.2 碳同位素应用,基本特征示踪碳的来源矿化剂来源CO2的来源古环境与古气候商品的示踪,european diet,CAM plants,marine carbonates,C,3,plants,d,13,C (,V-PDB),north american diet,terrestrial carbonates,atmospheric CO2,atmospheric CH4,C,4,plants,PDB,-50,-40,-30,-20,-10,0,petroleum (marine source rock),Isotope Variation in Nature,Carbon,Isotope Variation in Nature,Carbon,Stable carbon isotope ratios of major components of terrestrial ecosystems,Carbon,Model of carbon isotope variation in diet and the fractionation of carbon between diet and different tissues in mammalian herbivores.,最主要的碳库交换发生在： a.大气/海洋CO2 （这是最主要的交换反应，可逆过程） b.大气/陆上植物(光合作用) （不可逆过程） c.海洋生物的光合作用(它虽不是直接与大气CO2作用，但最终对大气CO2的13C值有影响，不可逆过程）,3.2 碳同位素应用,示踪碳的来源矿化剂来源CO2的来源古环境与古气候商品的示踪,古环境与生物灭绝事件,(Charles, Nature, 1998),